Analysis of surface acoustic waves-based devices for particles trapping and sorting

The separation and manipulation of particles and bioparticles are important operations for biological analyses. Microfluidic devices can be considered as low cost and low consumption of power and resources portable solutions. The integration of microfluidics with different fields of physics, brought the possibility to control particles in a more precise way, compared to centrifugation for example, exploiting their mechanical, electric and magnetic properties. Acoustofluidics has been considered in recent years as a very effective solution for particle control and isolation: the development of acoustic waves inside the microfluidic channel generates acoustic radiation forces (ARFs) to move particles. The specific kind of waves studied are standing surface acoustic waves (SSAWs). Considering acoustic pressure field, solid particles are moved towards the pressure nodes (points of null acoustic pressure): the name of this phenomenon is acoustophoresis. In this thesis, microfluidics is coupled with acoustics through a multi-physics numerical solution. Exploiting interdigital transducers (IDTs), waves are generated on the surface of a lithium niobate piezoelectric substrate. These waves interfere constructively where a microfluidic channel, made on polydimethylsiloxane (PDMS), is placed to generate SSAWs in the channel. To demonstrate pressure waves development and particles motion, a 2D transversal cross-section of the device was studied both with frequency and time domain analyses. Keeping a rectangular section rectilinear channel, different geometric features (width and height) were considered to investigate the sensitivity of the acoustic pressure field to geometrical changes. Then, a 3D complete device simulation was done to see particles focusing on pressure nodes due to acoustic radiation force. Further analyses were related to IDTs positioning to investigate surface waves interactions on an anisotropic material as lithium niobate. With these simulations a squared pressure waves “pool” made on PDMS was considered to demonstrate the possibility to immobilize particles inside pressure nodes.

La separazione e la manipolazione di particelle e bioparticelle sono importanti operazioni per le analisi biologiche. I dispositivi di microfluidica possono essere considerati come soluzioni portatili a basso costo e a basso consumo di risorse e potenza. L’integrazione della microfluidica con diversi campi della fisica ha portato alla possibilità di controllare le particelle in modo più preciso, rispetto alla centrifugazione per esempio, sfruttando le loro caratteristiche meccaniche, elettriche e magnetiche. L’acustofluidica è stata considerata, negli anni recenti, una soluzione molto efficace per il controllo e l’isolamento delle particelle: lo sviluppo di onde acustiche all’interno di un canale di microfluidica genera forze di radiazione acustica per muovere le particelle. La tipologia specifica di onde acustiche studiata è quella delle onde acustiche di superficie stazionarie. Considerando un campo di pressione acustica, particelle solide sono mosse verso i nodi di pressione (punti dove la pressione acustica è nulla): il nome di questo fenomeno è acustoforesi. In questa tesi, la microfluidica è accoppiata con l’acustica attraverso una soluzione numerica di multi-fisica. Sfruttando trasduttori interdigitali, le onde sono generate sulla superficie di un substrato di niobato di litio piezoelettrico. Queste onde interferiscono costruttivamente dove è posizionato un canale in PDMS per generare onde acustiche di superficie stazionarie nel canale. Per dimostrare lo sviluppo di onde di pressione e il movimento delle particelle, è stata studiata una sezione 2D trasversale del dispositivo sia con analisi in frequenza sia tempo dipendenti. Mantenendo un canale rettilineo a sezione rettangolare, diverse proprietà geometriche (larghezza e altezza) sono state considerate per investigare la sensibilità del campo di pressione acustica a variazioni geometriche. Poi, è stata fatta una simulazione 3D del dispositivo completo per vedere la focalizzazione delle particelle nei nodi di pressione acustica. Ulteriori simulazioni sono relative al posizionamento dei trasduttori interdigitali per investigare l’interazione delle onde di superficie su un materiale anisotropo come il niobato di litio. Con queste simulazioni una “piscina” quadrata di onde di pressione in PDMS è stata considerata per dimostrare la possibilità di immobilizzare le particelle nei nodi di pressione.